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Les foldamères comme mimes de la seconde sphère de
coordination des hydrogénases [Fe-Fe]
Antoine Meunier
To cite this version:
Antoine Meunier. Les foldamères comme mimes de la seconde sphère de coordination des hydrogénases [Fe-Fe]. Chimie organique. Université de Bordeaux, 2017. Français. �NNT : 2017BORD0826�. �tel-01690667�
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THÈSE PRÉSENTÉE POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR DE
L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES SPÉCIALITÉ CHIMIE ORGANIQUE
Par Antoine Meunier
Les foldamères comme mimes de la seconde sphère de
coordination des hydrogénases [Fe-Fe]
Sous la direction de : Ivan HUC & Yann FERRAND
Soutenue le 07/12/2017
Membres du jury :
M. ARTERO, Vincent Directeur de Recherche Université de Grenoble/CEA Président Mme. REINAUD, Olivia Professeur Université Paris-Descartes Rapporteur M. SINGLETON, Michael Professeur Université Catholique de Louvain Examinateur M. HUC, Ivan Professeur LMU Munich Examinateur M. FERRAND, Yann Chargé de Recherche Université de Bordeaux/CNRS Examinateur
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Titre : Les foldamères comme mime de la seconde sphère
de coordination des hydrogénases [Fe-Fe]
Résumé :
La possibilité de reproduire une activité enzymatique de manière artificielle est l’un des objectifs de la chimie moderne mais reste un grand défi, même dans le cas de l’activation de petites molécules. Dans le cas du dihydrogène, certaines bactéries s’en servent comme vecteur d’énergie par l’intermédiaire d’enzymes appelées hydrogénases qui peuvent former ou consommer le dihydrogène grâce à des complexes à base de métaux non nobles. Le dihydrogène pouvant être également utilisé comme vecteur d’énergie dans nos sociétés, les hydrogénases font l’objet de nombreuses recherches. Jusqu’à présent, la plupart des complexes modèles d’hydrogénases se sont employés à modifier la première sphère de coordination pour reproduire au mieux ses propriétés électroniques. Néanmoins, l’étude de mutations ciblées des hydrogénases indique que plusieurs résidus d’acides aminés présents dans le site actif sont indispensables à la stabilité du complexe et à son efficacité catalytique, montrant ainsi comment le mime d’une deuxième sphère de coordination pourrait améliorer les propriétés des catalyseurs artificiels. Notre approche a consisté en l’utilisation de foldamères de type oligoamide aromatique, formant un cône autour d’un complexe modèle d’hydrogénase. La synthèse convergente du composé final, son étude structurale à l’état solide (diffraction des rayons X), en solution (RMN, IR) ainsi que sa dynamique ont été étudiées. La modification de la première sphère de coordination du complexe modèle en présence du foldamère est également décrite et montrant notamment leur interaction.
Mots clés :
hydrogénase, foldamère, cavité, biomimétisme.Title: Foldamers as second coordination sphere mimics of
[Fe-Fe] hydrogenase
Abstract:
The ability to replicate enzymatic activity with a synthetic molecule is a highly sought after goal in modern chemistry. However, it remains a big challenge even in case of activation of small molecules. In the case of hydrogen, some bacteria can use it as energy carrier by means of enzymes called hydrogenases that can reversely make or break the bond of hydrogen molecules and are made of earth abundant metals. As hydrogen could be used for the same purpose of energy storage in our society, hydrogenases caught interest of scientific community. To date, most biomimetic hydrogenase models mainly focus on first coordination sphere modifications to fine-tune structure and physical properties. However, point mutation studies indicate that several of the amino acid residues surrounding the enzyme active site are required for structural stability or high turnover frequencies. It shows how mimicking second coordination sphere could improve the capabilities of synthetic catalysts. Our approach used aromatic oligoamide foldamers as helical scaffolds around an inspired 2Fe2S
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cluster. Convergent synthesis of the final molecule and structural studies in the solid state (x-ray) and in solution (NMR, IR) as well as the dynamic behaviour are reported. Modifications of the first coordination sphere of the model complex in presence of the foldamer are also described, showing interactions between them.
Keywords:
hydrogenase, foldamer, cavity, biomimetism.Unité de recherche
[Chimie et Biologie des Membranes et des Nano-objets, UMR 5248, Allée Geoffroy Saint Hilaire Bat B14 33600 Pessac]
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Ce travail de thèse a été réalisé au sein de l’Institut Européen de Chimie et Biologie (IECB) de Pessac dans le laboratoire de Chimie et Biologie des Membranes et Nanoobjets (CBMN-UMR 5248). Je tiens ainsi à remercier le Dr. Jean-Louis Mergny, directeur de l’IECB le Dr. Sophie Lecomte, Directeur du CBMN, également le Dr. Erick Dufourc, ancien Directeur du CBMN et le Dr. Thierry Toupance, Directeur de l’École Doctorale des Sciences Chimiques de l’Université de Bordeaux, pour m’avoir permis de travailler dans les meilleures conditions. Mes plus vifs remerciements vont au Dr. Vincent Artero et au Pr. Olivia Reinaud pour avoir accepté d’évaluer ce travail en tant que rapporteurs.
Je remercie tout particulièrement le Pr. Ivan Huc de m’avoir accueilli dans son équipe en stage de M2 puis en thèse et surtout de m’avoir offert l’opportunité de travailler sur ce beau projet de mime d’hydrogénases. Ses conseils et ses idées instillées tout au long de ces trois années m’ont été très précieux. Je remercie tout autant le Dr. Yann Ferrand qui a co-encadré ce travail de thèse et avec qui j’ai pu échanger quotidiennement et porter le projet le plus loin possible. Je remercie également les autres membres du laboratoire Victor, Eric et Lucile. Je remercie le Pr. Michael Singleton qui a initié ce beau projet et m’a aidé tout au long de mon stage de M2 me permettant ainsi de m’approprier au mieux l’esprit du projet. Je remercie également le Pr. Isabelle Bestel de m’avoir accueilli dans son équipe en tant qu’ATER et de m’avoir permis d’écrire le manuscrit de cette thèse dans les meilleures conditions.
Tout ce travail de thèse n’aurait pas non plus été possible sans l’aide précieuse du personnel des plateformes techniques de l’IECB. Je remercie beaucoup Axel et Estelle pour leur aide et leurs conseils en RMN, Brice et Thierry pour les belles structures RX, Frédéric et Loïc pour les analyses de masse.
Au-delà de l’aventure scientifique, cette thèse a été riche en belles rencontres. J’y ai lié des amitiés avec des gens passionnés et passionnants avec qui partager les joies et les déconvenues de la recherche ou de l’enseignement mais aussi de tout le reste. Je pense notamment à Maëlle mais aussi à Rémi, Simon, Antoine, Arthur, Camille, Floriane, Diane et Léonie. J’ai également beaucoup voyagé par procuration grâce à mes collègues et amis venus des quatre coins de l’Europe et du monde que je remercie : Rich, Albano, Joan, Daniela et Pedro mais aussi Soumen, Subrata, Bappa, Jinhua, Xiaobo, Sunbum.
Enfin je remercie ma famille, mes amis et surtout Sophie, ma moitié, qui m’a soutenu et encouragé pendant toute cette période.
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Introduction générale ... 15
Chapitre I ... 21
Développement d’une deuxième sphère de coordination artificielle autour d’un complexe modèle d’hydrogénase [Fe-Fe] basée sur un squelette oligoamide aromatique ... 21
I. Introduction et objectifs ... 23
1. Hydrogenases [Fe-Fe] ... 23
2. Cavités biomimétiques et complexes métalliques ... 28
3. Foldamères et oligoamides aromatiques ... 32
4. Objectifs du projet ... 38
II. Développement de monomères portant un complexe modèle de type hexacarbonyle ... 40
1. Synthèse ... 40
2. Caractérisation du monomère 1 ... 44
III. Synthèse d’un squelette oligoamide aromatique autour du complexe ... 47
1. Stratégies de synthèse ... 47
2. Structures cristallographiques des oligomères 2 et 3 ... 54
IV. Allongement du squelette oligoamide aromatique... 55
1. Synthèse à l’aide d’amide tertiaire ... 55
2. Structures cristallographiques des oligomères 4 et 5 ... 62
3. Structure en solution de l’oligomère 5 ... 64
V. Etude comparative des complexes ... 67
1. Géométrie des complexes à l’état solide ... 68
2. Etude spectroscopique ... 71
VI. Conclusion et perspectives ... 74
VII. Bibliographie ... 77
VIII. Experimental part ... 83
1. Methods for x-ray crystallography ... 83
2. Methods for X-Ray cristallography data ... 84
3. Methods for NMR ... 89
4. Methods for chemical synthesis ... 89
Chapitre II... 107
Influence d’un complexe modèle d’hydrogénase [Fe-Fe] sur le repliement de séquences oligoamides aromatiques ... 107
I. Introduction ... 109
II. Intégration du complexe à une capsule ... 110
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2. Structure cristallographique de l’oligomère 6 ... 111
III. Formation d’une cavité par auto-assemblage ... 113
1. Hélices multiples artificielles dans la littérature ... 113
2. Auto-assemblage en double hélice intégrant le complexe ... 116
3. Hélices double et triple d’oligomères de diazaanthracènes ... 124
IV. Intégration de motif de repliement en feuillet β ... 132
1. Mimes de feuillet β dans la littérature ... 132
2. Mime de feuillet β en présence du complexe ... 136
3. Association des repliements de type hélice et feuillet ... 142
V. Conclusion et perspectives ... 149
VI. Bibliographie... 151
VII. Experimental Part ... 155
1. Methods for x-ray cristallography data ... 155
2. Methods for NMR ... 157
3. Methods for chemical synthesis ... 157
Chapitre III ... 165
Modification de la première sphère de coordination d’un complexe modèle d’hydrogénase [Fe-Fe] en présence d’un squelette oligoamide aromatique ... 165
I. Introduction ... 167
II. Substitution du complexe par un ligand phosphine ... 167
1. Ligand phosphine dans la littérature ... 167
2. Synthèse et caractérisation ... 170
3. Structure cristallographique ... 174
4. Structure et dynamique en solution ... 181
III. Substitution du complexe par un ligand thioéther ... 185
1. Complexe modèle {2Fe3S} dans la littérature ... 185
2. Installation intramoléculaire d’un thioéther ... 188
3. Fonctionnalisation d’un monomère avec un thioéther ... 193
IV. Conclusions et perspectives ... 195
V. Bibliographie... 197
VI. Experimental part ... 201
1. Methods for NMR ... 201
2. Methods for chemical synthesis ... 202
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La problématique du stockage de l’énergie est une réalité socio-économique de plus en plus pressante et indissociable du développement des technologies liées aux énergies renouvelables comme le solaire, l’éolien ou l’hydraulique. En effet, l’énergie électrique générée par celles-ci n’est pas disponible en continue car dépendant des conditions climatiques. Le stockage de cette énergie électrique peut se faire dans des systèmes de batteries variées comme celles au lithium ou sous forme de carburant comme le dihydrogène obtenu par électrolyse de l’eau.1
Concernant le dihydrogène, son utilisation comme vecteur d’énergie est limitée pour plusieurs raisons. Son stockage doit être le plus efficace et le plus sûr possibles soit sous forme de gaz, de liquide ou au sein d’une matrice.2 Sa formation lors de l’étape d’électrolyse (réduction) et sa
consommation (oxydation) dans une pile à combustible doivent être également les plus efficaces d’un point de vue énergétique. Or la technologie actuelle est basée sur des catalyseurs composés de platine, un métal noble dont les stocks sont limités.3 La conception de nouveaux catalyseurs pourrait alors s’inspirer de la nature. En effet, certains micro-organismes ayant évolués dans un milieu très réducteur se servent du dihydrogène pour stocker un excédent d’électrons, grâce à des enzymes appelées hydrogénases. Les sites actifs de ces enzymes contiennent des complexes à base de nickel et/ou de fer qui catalysent aussi bien la réduction des protons en dihydrogène que son oxydation, selon les besoins énergétiques de l’hôte.4
L’étude de ces enzymes en biologie et en chimie a donné lieu à de nombreux travaux. L’approche des chimistes a surtout consisté en la préparation de complexes modèles reproduisant fidèlement la première sphère de coordination ou l’activité catalytique des complexes au sein du site actif. Néanmoins, l’environnement protéique constituant la seconde sphère de coordination du complexe a été rarement pris en compte dans ces modèles, malgré son rôle indispensable à l’activité catalytique du complexe. Grâce notamment au développement de la chimie supramoléculaire, l’utilisation de cavités biomimétiques pour former des complexes modèles d’enzymes offre la possibilité de mimer une seconde sphère de coordination.5 Le travail de thèse présenté ici s’inscrit dans cette démarche avec l’application d’un nouveau type d’architecture supramoléculaire comme seconde sphère de coordination artificielle d’un complexe modèle d’enzyme. Le nouveau type de cavité biomimétique proposé dans cette thèse est basé sur l’utilisation de foldamères, c’est-à-dire d’oligomères artificiels se repliant de manière stable et prédictible en solution. Le complexe modèle choisit pour illustrer les avantages de cette nouvelle approche est celui des hydrogénases [Fe-Fe].
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Le développement des foldamères aide à la compréhension du repliement des oligomères naturels en montrant que des séquences éloignées chimiquement de ces derniers sont aussi en mesure d’adopter des structures secondaires telles que des hélices, des coudes, et des brins linéaires. Or dans la nature, la fonction découle souvent du repliement comme dans le cas des enzymes. Une grande diversité de foldamères a été développée ces dernières années, montrant des fonctions de catalyse ou de reconnaissance moléculaire et pouvant former des matériaux auto-assemblés. Certaines séquences donnent également lieu à des structures tertiaires voire quaternaires. Parmi les foldamères, plusieurs familles d’oligoamides aromatiques tendent à se replier en hélice ou en feuillet de manière très stable et prédictible. Différents monomères codant pour une courbure et un diamètre d’hélice variables, ont été développés au sein du laboratoire et permettent un contrôle précis de la structure secondaire de leurs oligomères. La modularité des chaînes latérales des différents monomères permet également de contrôler la solubilité de leurs oligomères ou de leur permettre d’interagir avec une cible. Des architectures originales ont été obtenues allant des capsules qui permettent une reconnaissance moléculaire à des phénomènes d’auto-assemblage en hélice multiples ou encore des moteurs moléculaires mimant un piston. Enfin, l’étude structurale précise de ces foldamères en solution et à l’état solide, la grande prédictibilité de leurs repliements associés à la modularité et la facilité de leur préparation rendent possible une évolution itérative de leurs séquences qui permet d’améliorer leurs propriétés de manière raisonnée.6,7
Le premier chapitre approfondit par une étude bibliographique le thème des hydrogénases [Fe-Fe], des cavités biomimétiques et des foldamères de type oligoamide aromatique développés au laboratoire. Puis, la préparation et la caractérisation d’un complexe modèle entouré d’un squelette oligoamide aromatique se repliant en forme de cône sont présentées.
Le deuxième chapitre propose de nouvelles architectures de cavités biomimétiques basées sur les oligoamides aromatiques dont des hélices multiples ou des mimes de feuillets et pouvant accueillir un complexe modèle d’hydrogénases [Fe-Fe]. L’influence du complexe modèle sur le repliement du squelette oligoamide aromatique y est alors discutée.
Enfin le troisième chapitre décrit la modification de la première sphère de coordination du complexe modèle par un ligand phosphine ou thioéther en présence du squelette oligoamide aromatique. L’interaction et la dynamique des complexes modifiés et du foldamère y sont également étudiées.
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1. Ibrahim, H., Ilinca, A. & Perron, J. Energy storage systems-Characteristics and comparisons. Renew. Sustain. Energy Rev. 12, 1221–1250 (2008).
2. Schlapbach, L. & Zuttel, A. Hydrogen-storage materials for mobile applications.
Nature 414, 353–358 (2001).
3. Steele, B. C. H. & Heinzel, A. Materials for fuel-cell technologies. Nature 414, 345– 352 (2001).
4. Lubitz, W., Ogata, H., Rüdiger, O. & Reijerse, E. Hydrogenases. Chem. Rev. 114, 4081–4148 (2014).
5. Rebilly, J.-N., Colasson, B., Bistri, O., Over, D. & Reinaud, O. Biomimetic cavity-based metal complexes. Chem. Soc. Rev. 44, 467–489 (2015).
6. Guichard, G. & Huc, I. Synthetic foldamers. Chem. Commun. 47, 5933 (2011). 7. Chandramouli, N. et al. Iterative design of a helically folded aromatic oligoamide
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Chapitre I
Développement d’une deuxième sphère de
coordination artificielle autour d’un complexe
modèle d’hydrogénase [Fe-Fe] basée sur un
squelette oligoamide aromatique
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I. Introduction et objectifs
1. Hydrogenases [Fe-Fe]
Certains micro-organismes ayant évolué dans des conditions anaérobiques et fortement réductrices, possèdent des enzymes catalysant la réaction d’oxydation du dihydrogène et la réduction des protons, selon les conditions du milieu et avec une efficacité remarquable. Trois types d’enzymes, appelées hydrogénase, ont été découvertes et diffèrent principalement de par la nature du complexe présent dans leur site actif : un complexe bi-nucléaire de nickel et de fer pour les hydrogénases [Ni-Fe]1, un autre bi-nucléaire de fer pour les hydrogénases [Fe-Fe]2 et un complexe mononucléaire de fer pour les hydrogénases [Fe]3. La suite traite plus en détails le cas des hydrogénases [Fe-Fe].
Le complexe bi-nucléaire contenu dans le site actif de l’enzyme, notée HydA, y est lié à un cluster [4Fe4S] par une cystéine, formant alors le « cluster H ». La première sphère de coordination de ce complexe est composée de ligands inhabituels dans le monde du vivant : trois ligands carbonyles dont l’un est pontant, deux ligands cyanures et un autre ligand pontant de type azadithiolate où l’amine de ce dernier sert de relais de protons (Figure 1). Certains acides aminés du site actif savèrent hautement conservés parmi les différentes hydrogénases [Fe-Fe] formant une seconde sphère de coordination notamment responsable de la stabilisation de la géométrie du complexe nécessaire à son activité catalytique (Figure 1-C).4 Par exemple, les résidus de certains de ces acides aminés forment des liaisons hydrogènes avec les ligands cyanures et la fonction amine du ligand pontant azadithiolate du complexe. La protéine est également structurée de façon à relier le site actif à la surface de l’enzyme grâce à trois types de canaux différents : l’un est formé par des clusters fer-soufre permettant le transfert des électrons, un autre canal hydrophobe transporte le dihydrogène et enfin un dernier canal polaire achemine les protons (Figure 1-A-B).5
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Figure 1. (A) Structure cristallographique d’une enzyme hydrogénase [Fe-Fe] (CpI, PDB 3C8Y où l’oxygène du ligand pontant est modifié en amine) avec en représentation CPK le complexe et les clusters fer-soufre. (B) Schéma du site actif et des canaux protéiques transportant le dihydrogène, les protons et les électrons vers l’extérieur de l’enzyme. (C) Détails du site actif de l’enzyme où sont indiquées les interactions entre certains résidus d’acides aminés et le complexe. Les atomes C, N, O, S et Fe sont colorés respectivement en gris, bleu, rouge, jaune et orange et le reste de la protéine en vert. La biosynthèse du complexe et son intégration dans le site actif sont assurées par des enzymes maturases, notées HydE, HydF et HydG. Les enzymes HydE et HydG sont impliquées dans la biosynthèse des ligands carbonyles, cyanures et azadithiolate. Le rôle de l’enzyme HydF est ensuite de former un précurseur du complexe bi-nucléaire de fer à partir de ces ligands et le transférer directement à l’apo-enzyme HydA, où le complexe est absent du site actif. Un assemblage biomimétique permet également d’obtenir l’enzyme activée à partir de l’apo-enzyme. Cet assemblage peut se faire par l’intermédiaire de l’enzyme maturase HydF, à laquelle a été liée un complexe modèle d’hydrogénase [Fe-Fe] ou directement avec ce dernier (Figure 2).5,6
Figure 2. Assemblage biomimétique de l’apo-enzyme d’hydrogénase [Fe-Fe] et d’un complexe modèle bi-nucléaire de fer donnant l’enzyme active en catalyse.
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Les étapes du cycle catalytique de ces enzymes ont été étudiées par spectroscopie infrarouge et par résonance paramagnétique électronique (RPE) permettant notamment d’identifier les différentes structures électroniques et états de protonation du cluster H. Concernant les structures électroniques, le cluster [4Fe4S] peut être dans un état oxydé (+II) ou réduit (+I) quand les atomes de fer du complexe bi-nucléaire [Fe-Fe] peuvent être chacun indépendamment (+II) ou (+I), soit six combinaisons possibles pour le cluster H bien que toutes ne soient pas observées. Les trois principales structures électroniques sont un état oxydé Hox, un état réduit
Hred et un autre dit super-réduit Hsred. Ceux-ci sont couplés à des transferts de protons grâce au
à l’amine du ligand azadithiolate qui joue le rôle de relais de protons. En prenant le cas de la réduction des protons, la réduction et la protonation de Hox puis de Hred permet d’obtenir Hsred qui par la suite génère un hydrure terminal et enfin la molécule de dihydrogène qui termine le cycle (Schéma 1).7,8
Schéma 1. Cycle catalytique des hydrogénases [Fe-Fe] précisant la structure électronique et l’état de protonation des intermédiaires successifs du cluster H.
En parallèle des études sur les enzymes, de nombreux complexes modèles ont été développés en chimie organométallique. L’un des intérêts de ces complexes modèles est de pouvoir comparer leurs propriétés structurales et spectroscopiques à celles des différents intermédiaires du cycle catalytique des enzymes. L’étude de la relation structure-activité de ces complexes
26
modèles est un autre avantage dont l’objectif est le développement de catalyseurs bio-inspirés efficaces.
Parmi les premiers complexes décrits, des complexes hexacarbonyles avec différents ligands pontants, dont le propanedithiolate et l’azadithiolate, ont permis d’obtenir leurs dérivés substitués par deux ligands cyanures de structure électronique [Fe(I)Fe(I)] et notamment utilisés pour l’assemblage biomimétique de l’enzyme HydA (Figure 3-A).9,10 La fonctionnalisation du
ligand pontant par un thioéther permet d’obtenir un complexe de type {2Fe3S} (Figure 3-B) et même, dans le cas d’un thiol, de lier le complexe à un mime de cluster fer-soufre [4Fe4S] (Figure 3-C).11,12
Figure 3. Exemple de complexes modèles portant des ligands cyanures (A) thioéther (B) ou encore lié à un mime de cluster fer-soufre [4Fe4S] par l’intermédiaire d’un thiol (C).
Néanmoins, les complexes modèles portant des ligands cyanures s’avèrent instables en dehors d’un environnement protéique, notamment dans des conditions acides ou oxydantes. L’utilisation de ligands abiotiques comme les phosphines ou les carbènes a alors été développée. L’oxydation mono-électronique réversible de certains complexes substitués par ces ligands permet d’obtenir des analogues de la forme Hox de l’enzyme avec une structure
électronique mixte et stable de type [Fe(I)Fe(II)], accompagnée d’une géométrie alternée dont un ligand carbonyle devenu pontant. L’encombrement stérique induit par ces ligands artificiels protège le site laissé vacant sur l’un des atomes de fer (Figure 4-A).13,14
La substitution par ces ligands artificiels permet d’obtenir des complexes dont les atomes de fer sont suffisamment riches en électrons pour former un hydrure suite à leur protonation. Bien que l’hydrure pontant entre les deux atomes de fer soit le produit thermodynamique, certains ligands encombrés permettent de stabiliser un potentiel hydrure terminal. C’est notamment le cas pour le complexe possédant deux ligands bidentates cis-1,2-bis(diphénylphosphino)éthylène (dppv) dont la structure cristallographique montre une interaction entre l’hydrure terminal et un proton du ligand azadithiolate. Ce complexe constitue ainsi un modèle de l’intermédiaire enzymatique
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HhydH+ et s’avère catalyser la formation de dihydrogène (Figure 4-B).15 Un autre exemple de
complexe modèle de type {2Fe3S} substitué par un ligand phosphine fournit un hydrure pontant par protonation. Ce complexe peut ensuite être réduit sous forme [Fe(I)Fe(I)] soit une structure
électronique analogue à celle de l’intermédiaire Hsred.16 Reprenant l’ensemble des approches
précédentes, l’un des complexes modèles les plus aboutis comme catalyseur permet la rupture hétérolytique du dihydrogène. Celui-ci est composé du ligand bidentate dppv et d’un autre ligand phosphine lié à un dérivé du ferrocène qui mime le rôle redox d’un cluster fer-soufre (Figure 4-C).17
Figure 4. Exemple de complexes modèles basés sur des ligands abiotiques de type phosphine. (A) Complexe à valence mixte possédant trois ligands phosphines et de géométrie alternée avec un ligand carbonyle pontant. (B) Complexe montrant un hydrure terminal en interaction avec un proton du ligand pontant azadithiolate. (C) Complexe pouvant catalyser la coupure hétérolytique du dihydrogène. Le contrôle précis des propriétés électroniques et de l’encombrement stérique des ligands permet donc d’obtenir des complexes modèles de l’ensemble des intermédiaires du cycle catalytique de l’enzyme. Néanmoins, leur efficacité catalytique pâtit grandement de l’absence de seconde sphère de coordination pour protéger le complexe et l’amener à adopter une géométrie active en catalyse.
Une approche possible est de former une cavité biomimétique pouvant accueillir un complexe modèle et ainsi jouer le rôle de seconde sphère de coordination. Plusieurs exemples de complexes modèles au sein d’un édifice supramoléculaire ont été décrits utilisant des polymères, des résines, des micelles, des dendrimères ou encore des peptides.18 Parmi ceux-ci, l’inclusion d’un complexe hexacarbonyle dans un dimère de cyclodextrine dont la cavité est connue pour contenir des composés organométalliques, montre un léger changement de géométrie et une meilleure stabilité du complexe (Figure 5).19,20
28
Figure 5. Inclusion d’un complexe modèle d’hydrogénase [Fe-Fe] dans un dimère de cyclodextrine β sous sa forme schématisée (A) et sa structure cristallographique (B), vue de côté en représentation tubulaire à gauche et avec les cyclodextrines β en représentation CPK à droite.
La partie suivante traite principalement d’un point de vue structural, des cavités biomimétiques pouvant former ou accueillir des complexes.
2. Cavités biomimétiques et complexes métalliques
La nature est une source d’inspiration constante pour l’ensemble des scientifiques et notamment pour les chimistes qui adoptent souvent une approche biomimétique dans des thématiques variées allant de la synthèse totale21, à la chimie des matériaux22 ou la catalyse23. C’est également le cas des métalloenzymes pour lesquelles la synthèse de complexes modèles, analogues à ceux présents dans leurs sites actifs permet l’étude de leur première sphère de coordination. Ce domaine de la chimie de coordination et de la chimie organométallique fournit de précieuses informations spectroscopiques pouvant permettre d’identifier des intermédiaires impliqués dans leurs cycles catalytiques. Néanmoins, le squelette protéique de l’enzyme protège le complexe de l’extérieur et l’organisation précise de ses résidus d’acides aminés au sein du site actif a une influence majeure sur l’activité catalytique. Enfin, celui-ci permet également l’acheminement des réactifs, leur orientation dans le site actif ainsi que la libération du produit.
Le mime d’un environnement protéique pourrait ainsi permettre l’amélioration des propriétés catalytiques de nombreux complexes. En parallèle des progrès faits en chimie supramoléculaire et en chimie de coordination, le développement de cavités biomimétiques accueillant des complexes a émergé à partir de structures macrocycliques comme les porphyrines, les cyclodextrines, les calixarènes ou encore les cyclotriveratrylènes.24,25
Les prémices d’une cavité autour d’un complexe modèle ont été décrits par le Pr. Collman, avec un mime du site actif de l’hémoglobine utilisant des porphyrines à piquets qui permettent la stabilisation d’une molécule de dioxygène coordinée à l’atome de fer, en prévenant sa
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dimérisation (Figure 6-A-B). Utilisés initialement pour leur encombrement stérique, ces piquets peuvent également être fonctionnalisés comme ligands pour complexer un atome de cuivre comme mime du site actif des cytochromes c et ainsi catalyser la réduction du dioxygène.26 Un
autre exemple fondateur de l’utilisation de cavités biomimétiques a été proposé par le Pr Breslow, où une cyclodextrine est fonctionnalisée par un ligand de type pyridine pouvant former un complexe de nickel avec un autre ligand oxime et catalyser l’hydrolyse de l’acétate de p-nitrophénol. L’accueil du substrat dans la cavité hydrophobe de la cyclodextrine permet alors d’améliorer légèrement la vitesse de la réaction (Figure 6-C-D). 27
Figure 6. (A) Ligand porphyrine à piquets et principe des mimes d’hémoglobine avec coordination d’une molécule de dioxygène au niveau de l’hème protégé. (B) Structure cristallographique correspondante avec la molécule de dioxygène liée au fer, en représentation tubulaire à gauche et en représentation CPK à droite montrant la cavité formée par les piquets. Les protons ont été omis par soucis de clarté. (C) Structure des cyclodextrines α, β et γ (n = 1-3) et représentation en forme de cône tronqué. (D) Principe d’enzyme artificielle pour l’hydrolyse de l’acétate de p-nitrophénol.
Les cavités biomimétiques accueillant un complexe peuvent être classées en deux catégories, selon que ce dernier y est lié de manière covalente ou simplement encapsulé.
La première approche consiste en une architecture moléculaire de base ayant le rôle de cavité, comme les cyclodextrines, les calix[n]arènes ou les hémicryptophanes, qui est ensuite fonctionnalisée par des ligands monodentates28, polydentates et macrocycliques29,30. Une fois
le ligand supramoléculaire obtenu, le complexe est formé par mélange avec un sel métallique adéquat. La symétrie des cavités est généralement mise à profit permettant par exemple d’obtenir des ligands tripodaux. La cavité autour du complexe permet généralement d’obtenir un complexe mononucléaire bien défini et qui peut posséder un site de coordination labile
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permettant la coordination d’une molécule invitée dans la cavité (Figure 7). Dans le cas des calix[n]arène, les deux extrémités de la cavité peuvent être fonctionnalisées à l’aide de ligands, permettant d’observer des changements de coordination de complexes induits par une molécule invitée.31 L’une des extrémités peut également être fonctionnalisée par des groupements polaires comme des amines ou des ammoniums permettant respectivement d’ajouter des sites d’interaction avec une molécule invité ou de rendre la capsule hydrosoluble.32,33
Figure 7. Exemple de cavités biomimétiques fonctionnalisées par des complexes. (A) Calix[6]arène formant un ligand tripodal. (B) Structure cristallographique du complexe de cuivre correspondant, en représentation tubulaire à gauche et en représentation CPK à droite montrant la cavité autour du complexe. (C) Calix[4]arène fonctionnalisé par deux complexes macrocycliques du cuivre avec un site de coordination labile occupé par une molécule de solvant S. (D) Cavité biomimétique de type hémicryptophane basé sur un ligand TREN et complexant le cuivre.
L’intérêt des cavités biomimétiques ne se limitant pas à l’étude de complexes modèles d’enzymes, elles ont également été utilisées pour des réactions de catalyse abiotique comme des réactions d’hydroboration ou d’hydroformylation grâce à la fonctionnalisation de cyclodextrines respectivement avec des ligands carbènes complexant un atome d’or ou avec un ligand phosphine liant un complexe au rhodium. Une sélectivité de substrat et une efficacité catalytique intéressantes sont alors obtenues.34,35
La deuxième approche pour former une cavité biomimétique autour d’un complexe organométallique n’implique pas de les lier de manière covalente. L’une des stratégies possibles consiste en l’auto-assemblage de la cavité autour d’un ligand du complexe, par effet template. Une illustration de cette stratégie est la formation d’une cavité par l’agencement précis de porphyrines de zinc grâce à la coordination des substituants pyridines du ligand phosphine d’un
31
complexe de rhodium (Figure 8-A).36 Le contrôle précis de l’architecture de la cavité autour du
complexe permet alors de catalyser de manière régiosélective la réaction d’hydroformylation de certains alcènes.37
Une autre stratégie féconde consiste en l’encapsulation du complexe organométallique dans une cavité préalablement formée par auto-assemblage. Un exemple de ces capsules se compose de quatre atomes de métal (Ga2+, Fe3+ ou Al3+) formant un tétraèdre et reliés entre eux par six ligands bidentates de type catéchol (Figure 8-B).38 L’auto-assemblage est contrôlé pour former uniquement des capsules de géométrie tétraédrique, hydrosolubles du fait de leurs charges globales négatives mais dont la cavité est hydrophobe. Les deux dernières propriétés permettent à ces capsules d’accueillir de nombreux complexes organométalliques cationiques, accompagnés de leurs substrats. Leur activité catalytique y est conservée et une sélectivité sur la taille des substrats est observée.39,40 Un autre exemple de capsules obtenues par auto-assemblage est celui d’un hexamère de résorcin[4]arènes liés par liaisons hydrogènes. Le large volume de la cavité peut contenir un complexe d’or et catalyser l’hydratation des alcynes de manière régiosélective (Figure 8-C).41,42
Figure 8. Exemple de capsules formées par auto-assemblage. (A) Effet template du ligand phosphine et cavité formée par coordination de porphyrines de zinc. (B) Capsule tétraédrique à base d’ions métalliques (M = Ga2+, Al3+, Fe3+) et de ligands bidentates de type catéchol. Exemple de complexes
organométalliques encapsulés et catalysant des réactions d’hydroalkoxylation ou d’isomérisation allylique. (C) Structure cristallographique d’un hexamère de résorcin[4]arènes liés par liaisons hydrogènes, pouvant contenir un complexe d’or portant un ligand carbène.
Enfin, une dernière stratégie consiste à encapsuler des complexes au sein de protéines et ainsi former des métalloenzymes artificielles. L’intérêt est d’exploiter la seconde sphère de coordination formée par la protéine autour du complexe et notamment sa chiralité. Le complexe peut y être lié de manière covalente, généralement par l’intermédiaire d’une cystéine, par
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coordination d’un résidu d’acide aminé au complexe ou encore en exploitant l’affinité entre une protéine et son cofacteur comme la biotine et la streptavidine. Cette dernière approche peut être déclinée pour divers complexes allant jusqu’à permettre la catalyse in vivo de réactions abiotiques comme la métathèse.43
Comme le montre l’ensemble des stratégies visant à former une cavité biomimétique, leurs architectures moléculaires sont généralement pré-organisées et modulables. Dans cette optique, la partie suivante traite des foldamères de type oligoamide aromatique, de leur utilisation en reconnaissance moléculaire et potentiellement comme mime d’une seconde sphère de coordination.
3. Foldamères et oligoamides aromatiques
Dans la nature, de nombreuses propriétés comme la catalyse enzymatique ou le stockage de l’information sont rendues possibles grâce à un repliement précis des oligomères naturels d’acides aminés et d’acides nucléiques. La diversité de formes des structures secondaires, tertiaires voire quaternaires de ces oligomères découle du repliement de leurs structures primaires, constitués pourtant d’un nombre limité de monomères différents, à savoir une vingtaine d’acides aminés pour les protéines et quatre nucléotides pour l’ADN.
Les chimistes ont étendu ce domaine des possibles notamment grâce à l’utilisation d’oligomères artificiels, appelés foldamères adoptant des structures repliées stables.44,45 Les premières familles de foldamères étudiées par les équipes de Dieter Seebach et Samuel Gellman sont les peptides aliphatiques β, γ et δ aux repliements similaires à celui des peptides α et résistants aux protéases (Figure 9).46 Cette catégorie de foldamères peptidomimétiques dits biotiques consiste donc en la modification d’oligomères naturels déjà connus pour adopter une structure secondaire stable et s’apparente ainsi à une approche descendante ou top-down.
Figure 9. Exemple de foldamères issus d’une approche top-down avec un peptide β (A) et un peptide γ (B).
L’autre approche, qualifiée d’ascendante ou bottom-up, se base sur de nouvelles architectures d’oligomères artificiels ou abiotiques, éloignées des peptides. Leur repliement est généralement permis par la rigidification de leurs squelettes et par la formation d’interactions faibles variées allant de la liaison hydrogène à l’empilement aromatique. Par exemple, un oligomère alternant
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des groupements aromatiques riches et pauvres en électrons montre un repliement inhabituel en forme de pilier dû à leur empilement (Figure 10-A-B).47 D’autres foldamères sont obtenus par
des interactions non-spécifiques, comme les oligomères de m-phénylène-éthynylène qui se replient sous forme d’hélice par effet solvophobe (Figure 10-C-D).48 Les oligoamides
aromatiques forment une autre famille de foldamères dont l’un des premiers exemples décrits est un oligomère de pyridine pouvant se replier sous forme d’hélice et s’auto-assembler en double hélice (Figure 10-E).49,50
Figure 10. Exemple de foldamères issus d’une approche bottom-up : séquence alternant les groupements aromatiques accepteur et donneur (A) se repliant en forme de pilier (B) ; oligomère de m-phénylène-éthynylène (E) se repliant en hélice par effet solvophobe (F) ; oligomère de pyridine se repliant sous forme d’hélice et pouvant s’auto-assembler sous forme de double hélice.
Les oligoamides aromatiques développés au laboratoire combinent de nombreux avantages. La préparation de ces oligomères est basée sur la formation de liaisons amides, en solution ou sur support solide, qui fait partie des rares réactions suffisamment efficaces permettant la synthèse multi-étapes de longues séquences, jusqu’à obtenir des hélices de plusieurs nanomètres ou des assemblages de taille comparable à une protéine de 75 résidus.51–53 Le repliement de ces
foldamères s’explique par la combinaison de plusieurs facteurs. La conjugaison entre les fonctions amides et les noyaux aromatiques qui restreint la rotation de leurs liaisons communes et la formation de liaisons hydrogènes entre les protons de ces liaisons amides et les azotes endocycliques qui les encadrent, induisent un repliement hélicoïdal. Ce repliement est également favorisé par un empilement aromatique au sein de l’hélice ainsi que par l’absence d’interactions électrostatiques défavorables entre les azotes endocycliques et les oxygènes des liaisons amides (Figure 11).45,54 Le passage de la séquence primaire à la structure secondaire de
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ces oligoamides aromatiques s’avère prédictible et montre une bonne correspondance entre les structures obtenues à l’état solide, celles observées en solution et leurs modèles moléculaires.55
De plus, leur repliement est très stable, comme l’illustre la conservation de celui d’un octamère de quinoline à 120 °C dans le DMSO-d6.54 En l’absence d’inducteur de chiralité, les hélices P
et M sont obtenues en mélange racémique mais la fonctionnalisation d’une extrémité de l’hélice par un substituant chiral permet d’obtenir majoritairement l’une des hélicités.56
Figure 11. (A) Mode de repliement au sein d’un oligomère de quinolines montrant les liaisons hydrogènes entre les protons des amides et les azotes endocycliques adjacents et les interactions électrostatiques défavorables évitées en rouge. (B) Vues de côté et de dessus, en représentation tubulaire, de la structure cristallographique d’un octamère de quinoline replié en hélice de chiralité M et montrant un empilement aromatique. Les chaînes latérales ont été omises par soucis de clarté.
De nombreux monomères ont été développés au sein du laboratoire tels que les quinolines54, les pyridines50, les naphtyridines57 ou encore les 1,8-diazaanthracènes58,59. Leurs oligomères forment des hélices de diamètres variés qui peuvent également être impliquées dans des phénomènes d’auto-assemblage. Le diamètre de l’hélice augmente d’une part avec la valeur de l’angle entre les fonctions amine et acide des monomères et d’autre part, avec le nombre de noyaux aromatiques. Les quinolines codent ainsi pour le diamètre d’hélice le plus faible, puis viennent par ordre croissant les pyridines, les naphtyridines et enfin les 1,8-diazaanthracènes (Figure 12-A).
La voie de synthèse de la plupart des monomères est commune, consistant en une première étape d’addition nucléophile d’une amine aromatique sur l'éthynedicarboxylate de diméthyle suivie d’une étape de cyclisation, à reflux dans le diphényléther dans le cas des 1,8-diazaanthracènes et des naphtyridines. Enfin une réaction de Mitsunobu permet d’installer les chaînes latérales voulues, ici de type isobutoxyle, mais qui peuvent également être polaires pour rendre les oligomères hydrosolubles.54,60 Dans le cas des 1,8-diazaanthracènes, une étape de désymétrisation par mono-saponification permet ensuite d’installer une fonction amine protégée par un carbamate grâce à un réarrangement de Curtius (Figure 12-B).59
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Figure 12. (A) Bibliothèque de monomères d’oligoamide aromatique basés sur des motifs quinoline (bleu), pyridine (rouge), naphtyridine (vert) et 1,8-diazaanthracène avec l’angle entre leurs fonctions amine et acide. (B) Exemple de synthèse des unités 1,8-diazaanthracènes.
La combinaison de différents monomères permet alors d’obtenir des architectures plus élaborées comme des capsules qui sont utilisées dans la reconnaissance moléculaire. La séquence de ces capsules consiste en un diamètre d’hélice croissant depuis les deux extrémités vers le centre, formant ainsi une cavité qui peut contenir une molécule invitée (Figure 13).61
Figure 13. Principe d’encapsulation d’une molécule invitée (bleu) par un oligoamide aromatique replié en forme de capsule (rouge).
Le concept de capsule s’est avéré très fécond, les différentes séquences développées au laboratoire ayant permis l’encapsulation de molécules invitées d’une complexité et d’un intérêt biologique notables (Figure 14). L’ensemble de ces capsules possède deux ou trois quinolines (bleu) au niveau de leurs extrémités qui jouent le rôle de « bouchons » du fait de leur faible diamètre d’hélice et peuvent ainsi empêcher le phénomène d’auto-assemblage. Composées à l’origine de seulement deux types de monomères et limitées à l’encapsulation de molécules d’eau61,62, l’agrandissement des cavités a ensuite permis la reconnaissance du
4-aminobutan-1-ol. Les groupements polaires des molécules invitées interagissent avec les unités pyridines de la capsule en formant des liaisons hydrogènes.63 Grâce à la tendance de ces oligoamides
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aromatiques à former des monocristaux de bonne qualité dans des solvants variés, les structures cristallographiques obtenues donnent des informations précises sur les interactions entre l’intérieur des capsules et leurs molécules invités. Ceci permet ensuite de développer des séquences pouvant encapsuler sélectivement des molécules d’intérêt comme l’acide D-tartrique64, l’acide L-malique65 ou encore le D-fructopyranose66. La chiralité intrinsèque des capsules due au repliement hélicoïdale et la possibilité de les fonctionnaliser par des groupements chiraux permet également de rendre l’encapsulation diastéréosélective.
Figure 14. Aperçu de l’évolution de la séquence des capsules et de leurs molécules invitées, développées au sein du laboratoire sur une décennie. Structures cristallographiques des capsules et des molécules invitées associés.
Issu du développement de ces capsules, le fragment Q3PN2- en forme de cône montre un
contrôle idéal du diamètre d’hélice avec trois unités de quinolines utilisées comme « bouchon », suivies d’une unité pyridine et enfin de deux unités naphtyridines. La préparation de ce fragment est une bonne illustration des réactions de couplage utilisées dans la synthèse convergente des oligoamides aromatiques. Le couplage entre un dimère de naphtyridine et un excès de pyridine diamine se fait à l’aide d’un agent de couplage peptidique, le PyBOP, puis le couplage de la fonction amine de ce trimère nouvellement formé avec le trimère de quinoline est réalisé par l’activation préalable sous forme de chlorure d’acyle de ce dernier (Schéma 2).64
La synthèse du fragment Q3PN2-a été optimisée sur une échelle de plusieurs grammes lors de
la thèse du Dr. Guillaume Lautrette et a permis la synthèse de l’ensemble des oligomères présentés ci-après.
37
Schéma 2. Synthèse du fragment Q3PN2- : a) PyBOP, DIEA, CHCl3 ; b) i. (COCl)2, CH2Cl2 ; ii. DIEA,
CHCl3.
Le concept de capsule a également été appliqué à la formation de complexe, par le biais d’une unité centrale de type pyridazine-pyridine-pyridazine dont la coordination à un métal comme le cuivre (+II ou +I) induit le repliement complet de la séquence. L’intérieur de la cavité est ainsi fonctionnalisé par un complexe qui peut aider à l’encapsulation de certaines molécules invitées par leur coordination à celui-ci, de manière analogue aux complexes de cuivre à base de calixarène développés dans l’équipe du Pr. Reinaud (Figure 15).67–69 La même capsule
permet aussi d’accueillir des hydrates de métaux alcalins et alcalino-terreux interagissant avec leur première ou seconde sphère de coordination.70
Figure 15. Principe de repliement d’un oligoamide aromatique en capsule (rouge) suite à la coordination d’un ion métallique (vert) et qui aide à l’encapsulation d’une molécule invitée (bleu)
L’encapsulation de composés organométalliques étant également possible, le choix s’est alors porté sur un complexe modèle d’hydrogénase [Fe-Fe].
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4. Objectifs du projet
Comme expliqué précédemment, l’efficacité catalytique des hydrogénase [Fe-Fe] est liée à la géométrie de son complexe di-nucléaire de fer, fixée par l’environnement protéique du site actif et notamment par les liaisons hydrogènes formées entre les ligands cyanures du complexe et certains résidus d’acides aminés. L’approche la plus aboutie jusqu’alors dans la littérature pour contraindre un complexe modèle à adopter une géométrie analogue, consiste en la modification de sa première sphère de coordination par des ligands abiotiques encombrants comme le dppv. L’approche proposée ici vise à former une seconde sphère de coordination artificielle autour d’un complexe modèle d’hydrogénase [Fe-Fe] qui pourrait le forcer à adopter une géométrie proche de celle observée dans l’enzyme. Les exemples d’environnement supramoléculaire autour d’un complexe d’hydrogénase [Fe-Fe] que sont l’utilisation de peptide71 ou de
cyclodextrine20 restent limités par le manque de stabilité et de prédictibilité de leur repliement, ainsi que par leur fonctionnalisation difficile. L’intérêt d’utiliser des oligoamides aromatiques tient justement à la stabilité et à la prédictibilité de leur repliement, à la modularité de leurs séquences et à la possibilité de fonctionnaliser les monomères. De plus, ces oligomères peuvent être rendus solubles dans de nombreux solvants par la modification de leurs chaînes latérales, permettant d’envisager notamment une catalyse en milieu aqueux. Enfin, un transport électronique rapide accompagné d’une faible atténuation avec la distance a été observé pour les oligoamides aromatiques, qui sont des propriétés intéressantes dans le cadre d’une utilisation en électrochimie.72
La stratégie consiste alors en la synthèse d’un squelette oligoamide aromatique autour d’un complexe modèle d’hydrogénase [Fe-Fe] de type hexacarbonyle. En effet, ceux-ci possèdent l’avantage d’être stable à l’air libre et d’être compatible avec la synthèse des oligoamides aromatiques qui implique des réactions de couplage peptidique et de déprotection de carbamate de tert-butyle.73,74 Ces complexes hexacarbonyles étant trop volumineux pour être contenus dans les capsules présentées précédemment, l’architecture retenue est un squelette d’oligoamide aromatique qui se replie en forme de cône pouvant accueillir le complexe. Ce dernier est lié de manière covalente à la face intérieure de la cavité afin de le forcer à s’y positionner. Le début du cône est formé par le fragment Q3PN2- puis les monomères de type 1,8-diazaanthracènes
39
Figure 16. Représentation d’un squelette oligoamide aromatique en forme de cône (tube gris) contenant un complexe modèle d’hydrogénase [Fe-Fe] de type hexacarbonyle (sphères violettes et jaunes) lié de manière covalente à la face intérieure de la cavité (tube bleu clair). Certains sites de la cavité sont fonctionnalisables et pourraient interagir avec le complexe (flèches rouges). Des sites potentiels pour l’immobilisation et la fonctionnalisation sont indiqués à l’extrémité du squelette oligoamide aromatique (sphère bleue).
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II. Développement de monomères portant un complexe
modèle de type hexacarbonyle
1. Synthèse
Le projet initié par le Dr. Michael Singleton nécessite en premier lieu l’accroche d’un complexe hexacarbonyle à un squelette oligoamide aromatique. La stratégie adoptée est la formation d’un lien covalent par l’intermédiaire de l’atome d’azote du ligand pontant azadithiolate. Le motif auquel est lié le complexe dérive du 1,8-diaza-4,5-diisobutoxy-9-methyl-2,7-anthracenedicarboxylate de diméthyle, abrégé 9-méthyldiazaanthracène par la suite et permettant de laisser une certaine liberté conformationnelle au complexe lors de son positionnement dans la cavité (Figure 17-A). Il existe principalement deux voies de synthèse pour former un complexe modèle hexacarbonyle possédant un ligand pontant de type azadithiolate. Celles-ci sont basées sur l’utilisation du complexe précurseur Li2Fe2(µ-S)2(CO)6,
obtenu à partir du pentacarbonyle de fer, d’hydroxyde de potassium et de polysulfure de sodium, donnant le complexe Fe2(µ-S)2(CO)6 qui est ensuite réduit en présence de
triéthylborohydrure de lithium (Figure 17-B).75 La première voie de synthèse consiste tout d’abord à protoner les groupements thiolates de Li2Fe2(µ-S)2(CO)6 à l’aide d’acide
trifluoroacétique (TFA) dans le THF à -78°C puis de réaliser une réaction de condensation en présence de formaldéhyde et d’une amine primaire.10 L’autre voie de synthèse consiste en
l’alkylation du complexe Li2Fe2(µ-S)2(CO)6 avec une bis-(chlorométhyl)amine (Figure 17-C).9
La bis-(chlorométhyl)amine est formée par chlorométhylation de l’amine primaire correspondante à l’aide de formaldéhyde et de chlorure de thionyle.76 Les conditions
réactionnelles de la première voie étant plus douces et mieux adaptées à la fonctionnalisation de motifs diazaanthracènes, c’est celle choisie pour notre étude.
41
Figure 17. (A) Lien covalent établi entre le complexe modèle hexacarbonyle et un motif diazaanthracène. (B) Synthèse du complexe précurseur Li2Fe2(µ-S)2(CO)6. (C) Voies de synthèse du
ligand pontant fonctionnalisé au niveau de l’atome d’azote.
Les monomères liant de manière covalente le complexe sont issus de la fonctionnalisation du diester de méthyle du 9-méthyldiazaanthracène, le développement d’un analogue acide-aminé de ces monomères demandant un effort de synthèse plus conséquent (Schéma 3). Or la différence de courbure du squelette oligoamide aromatique induite par la présence de la forme acide-aminé ou de la forme diacide ne devrait pas gêner l’accueil du complexe dans la cavité. La stratégie de synthèse retenue commence par la fonctionnalisation du groupement 9-méthyle.59 La première étape consiste en une bromation radicalaire du groupement 9-méthyle, à l’aide de N-bromosuccinimide et de peroxyde de benzoyle, dans le benzène à 65 °C. Le dérivé bromé est alors substitué par le di-tert-butyliminidicarboxylate de potassium (KNBoc2), puis
l’un des groupements tert-butoxycarbonyle est immédiatement clivé en présence de perchlorate de magnésium au reflux dans l’acétonitrile. Le composé 8 obtenu possède alors une fonction amine benzylique, protégée sous forme d’un carbamate de tert-butyle.
L’obtention du composé 8 permet ensuite la synthèse de deux monomères symétriques, l’un sous forme de diester de méthyle 1 et l’autre sous forme de diacide carboxylique 9, auxquels est accroché le complexe modèle. Lors de la synthèse du monomère 1, la fonction amine du composé 8 est déprotégée en présence de TFA puis directement engagée dans la réaction de condensation avec le formaldéhyde et le complexe précurseur Li2Fe2(µ-S)2(CO)6. Le monomère
1 est enfin purifié par chromatographie sur gel de silice avec un éluant peu polaire pour un
rendement de 40 %. La synthèse du monomère 9 diffère seulement par une étape préalable de saponification des deux esters de méthyle du composé 8, suivie de la déprotection de la fonction amine en présence de TFA. Le diacide aminé obtenu est alors engagé dans une même réaction de condensation avec le formaldéhyde et le complexe précurseur Li2Fe2(µ-S)2(CO)6. Le
42
monomère 9 précipite lors de sa formation donnant un rendement de 44 %, après collection et lavage du précipité (Schéma 3).
Schéma 3. Synthèse des monomères 1 et 9 portant le complexe hexacarbonyle, à partir du 9-méthyldiazaanthracène : a) N-bromosuccinimide, peroxyde de benzoyle, benzene, Δ ; b) i. KNBoc2,
DMF, Δ ; ii. Mg(ClO4)2, MeCN, Δ ; c) TFA, CH2Cl2 ; d) i. NaOH, dioxane/H2O ; ii. TFA, CH2Cl2.
Le monomère dissymétrique 14, possédant un groupement ester de méthyle et un acide carboxylique, peut être obtenu d’une manière similaire grâce à la mono-saponification préalable du composé 8. Néanmoins, en l’absence de précipitation du produit de mono-saponification, la réaction est statistique, d’où un faible rendement et une purification difficile.
Une nouvelle stratégie de synthèse permettant d’accéder aux formes dissymétriques du monomère a alors été développée, comme prolongement de l’approche précédente. La désymétrisation du motif 9-méthyldiazaanthracène est réalisée au début de la voie de synthèse, grâce à la mono-saponification sélective de sa forme diester de méthyle. Le rendement élevé de cette étape (89 %) est dû à la précipitation du produit de mono-saponification au cours de la réaction.59 La fonction acide carboxylique du composé 10 est alors protégée sous forme d’ester de 2-triméthylsilyléthyle, donnant le composé 11 avec un rendement de 75 %. Son groupement 9-méthyle est ensuite fonctionnalisé par un atome de brome lors d’une réaction de bromation radicalaire et avec un rendement de 79 %. Puis, l’atome de brome du composé 12 est remplacé par une fonction amine protégée sous forme de carbamate de tert-butyle, donnant le composé 13 avec un rendement de 61 %. Il est à noter que la synthèse des trois nouveaux composés 11, 12 et 13 est optimisée sur des échelles atteignant 5 g de produit nécessitant seulement une purification par précipitation dans le méthanol (Schéma 4).
43
Schéma 4. Synthèse du composé 13, dérivé du 9-méthyldiazaanthracène : a) i. (COCl)2, CH2Cl2 ; ii.
2-triméthylsilyléthanol, CH2Cl2 ; b) N-bromosuccinimide, peroxyde de benzoyle, benzène, Δ ; c) i.
KNBoc2, DMF, Δ ; ii. Mg(ClO4)2, MeCN, Δ.
Le composé 13 permet alors d’obtenir le monomère 14 par déprotection simultanée de l’ester de 2-triméthylsilyléthyle et du carbamate de tert-butyle en présence de TFA dans CH2Cl2, suivie
d’une réaction de condensation avec du formaldéhyde et le complexe Fe2(µ-SH)2(CO)6. Le
produit est purifié par chromatographie sur gel de silice avec un rendement de 43 %.
L’ester de méthyle du composé 13 peut également être clivé sélectivement à l’aide d’un excès d’iodure de lithium dans de l’acétate d’éthyle préalablement dégazé, à reflux et à l’abri de la lumière.77 Le dérivé carboxylate précipite au cours de la réaction et une simple filtration du mélange réactionnel suivie d’un lavage avec une solution d’acide citrique permet d’obtenir le composé 15 avec un rendement de 87 %. La déprotection sélective du carbamate de tert-butyle, à l’aide d’une solution d’acide chlorhydrique dissout dans de l’acétonitrile, suivie d’une réaction de condensation avec du formaldéhyde et le complexe Fe2(µ-SH)2(CO)6 permet
d’obtenir le complexe 16. Celui-ci est également purifié par chromatographie sur gel de silice avec un rendement de 44 % (Schéma 5). L’intérêt du monomère dissymétrique tient à son groupement protecteur de type ester de 2-triméthylsilyléthyle qui peut être clivé en présence de TFA, l’une des rares conditions réactionnelles compatibles avec la présence d’un complexe modèle hexacarbonyle.
44
Schéma 5. Synthèse des monomères 12 et 14 portant le complexe hexacarbonyle et à partir du composé 8 : a) LiI, EtOAc, reflux ; b) i. TFA, CH2Cl2 ; ii. Fe2(µ-SH)2(CO)6, formaldéhyde, THF ; c) i. HCl,
dioxane ; ii. Fe2(µ-SH)2(CO)6, formaldéhyde, THF.
Par la suite, la synthèse de monomères acides-aminés dérivés du motif 9-méthyldizaanthracène ou 8-méthylquinoline a été entreprise mais s’est révélée infructueuse (Schéma 6). Le monomère dérivant du motif 9-méthyldizaanthracène s’avère instable et donne lieu à une réaction lente de rétro-condensation du complexe. Le monomère dérivé de la 8-méthylquinoline est en revanche stable lorsque la fonction amine est protégée sous forme de carbamate de tert-butyle mais suite à sa déprotection, le complexe se dégrade complétement.
Schéma 6. Exemple de monomères de type amino-acide portant un complexe hexacarbonyle.
2. Caractérisation du monomère 1
Les monomères 1, 9, 14 et 16 ont tous été caractérisés par spectroscopie RMN 1H et 13C dans CDCl3, par spectroscopie IR dans CH2Cl2, ainsi que par spectrométrie de masse. Les propriétés
spectroscopiques des complexes étant très peu modifiées par les différentes combinaisons d’ester et d’acide carboxylique, seule l’étude du monomère 1 est présentée.
Le spectre RMN 1H du monomère 1 montre la symétrie de son fragment diazaanthracène avec des signaux dégénérés pour les protons aromatiques H3-6, les protons des chaînes latérales et
45
les protons des groupements ester de méthyle. Le signal des protons benzyliques, proches du complexe, apparait également sous forme d’un singulet. Les protons Hb du complexe s’avèrent isochrones, signe d’une dynamique importante du complexe (Figure 18). La dynamique du complexe est également illustrée par le spectre RMN 13C qui montre un unique signal pour les ligands carbonyles à 208.3 ppm, en accord avec les données de la littérature.
Figure 18. (A) Spectre RMN 1H (300MHz) dans CDCl
3 à 298 K du monomère 1 avec attribution des
signaux. (B) Nomenclature du monomère 1 associée à l’attribution du spectre RMN 1H.
La spectroscopie IR est également une méthode de choix pour l’étude des complexes modèles d’hydrogénase [Fe-Fe]. Dans le cas des complexes hexacarbonyles, l’allure générale du spectre change peu mais la position des signaux correspondant aux ligands carbonyles peut varier et renseigne ainsi sur les propriétés électroniques du complexe. Par exemple, un léger décalage vers les nombres d’onde supérieurs correspond à un complexe moins riche en électrons. L’allure du spectre IR en solution dépend également du solvant utilisé et les modes de vibration peuvent ne pas être tous séparés en des signaux distincts, notamment ceux vers 2000 cm-1.78 Les solvants utilisés sont généralement l’acétonitrile, l’hexane ou les solvants chlorés ; pour cette étude le CH2Cl2 a été choisi pour des raisons de solubilité. Le spectre IR du monomère 1, dans la région
des ligands carbonyles, présente deux signaux fins à 2070 cm-1 et 2031 cm-1, ainsi qu’un signal plus large dont le maximum est à 1993 cm-1 (Figure 19-A). En faisant l’approximation forte
que le complexe est de symétrie C2v, justifiée par sa grande dynamique et notamment celle de
son ligand pontant, il est possible d’associer certains signaux aux modes de vibration des ligands carbonyles.79 Le signal à 2070 cm-1 peut ainsi être associé au premier mode de vibration A1 complétement symétrique et le signal le plus intense, à 2031 cm-1, au deuxième mode de
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signal large vers 1993 cm-1 mais ne sont pas distinguables les uns des autres. Cette attribution
partielle est néanmoins issue d’une approximation forte et seule une modélisation par méthodes
ab initio ou DFT du spectre IR permettrait de la confirmer.
Figure 19. (A) Extrait du spectre IR dans CH2Cl2 du monomère 1 dans la région des ligands carbonyles.
(B) Modes de vibration des ligands carbonyles dans une géométrie éclipsée et dans l’approximation d’un complexe de symétrie C2v.
La structure cristallographique du monomère 1 confirme également l’accroche du complexe au fragment diazaanthracène. Des monocristaux formés par diffusion d’hexane dans une solution du monomère 1 dissout dans CHCl3, ont été obtenus par le Dr. Michael Singleton. Leur
diffraction a été mesurée par le Dr. Brice Kauffmann et les données ont été affinées par le Dr. Thierry Granier. Le monomère 1 cristallise dans le groupe d’espace P-1 avec deux molécules indépendantes dans la maille. La structure cristallographique montre notamment que le plan passant par les deux atomes de fer du complexe est presque perpendiculaire à celui passant par les noyaux aromatiques du motif diazaanthracène (Figure 20). La conformation du complexe est étudiée plus en détail dans une prochaine partie.
Figure 20. Structures cristallographiques du monomère 1. (A) Vue du dessus en représentation CPK. (B) Vue de face en représentation tubulaire. (C) Vue de côté en représentation tubulaire.
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L’accroche d’un complexe hexacarbonyle à un motif de type diazaanthracène ayant été validée, la partie suivante présente les stratégies de synthèse qui permettent son intégration à des séquences d’oligoamide aromatique.
III. Synthèse d’un squelette oligoamide aromatique autour du
complexe
Les monomères fonctionnalisés par un complexe hexacarbonyle et possédant au moins un groupement acide carboxylique, peuvent être intégrés à un squelette oligoamide aromatique par formation d’une liaison amide. Néanmoins, les conditions réactionnelles de formation de la liaison amide doivent être compatibles avec la présence du complexe hexacarbonyle. L’utilisation d’un agent de couplage, l’hexafluorophosphate de benzotriazol-1-yl-oxytripyrrolidinophosphonium (PyBOP)80 en présence de base, la N,N-diisopropyléthylamine, dans du chloroforme, tous deux distillés, s’avère adaptée. La purification de certains produits de couplage est effectuée par chromatographie par exclusion stérique et recyclage (GPC) avec du chloroforme comme phase mobile.81 La fonctionnalité de recyclage de l’appareil permet, à chaque fin de cycle, de réinjecter le mélange de produits dans la colonne et ainsi d’en améliorer la séparation dans la limite imposée par le phénomène de diffusion. Cette méthode de purification est particulièrement adaptée à la synthèse des oligoamides aromatiques lorsque la différence de poids moléculaire entre les produits et les réactifs est conséquente.
La prochaine partie décrit les premières séquences d’oligoamides aromatiques intégrant le complexe hexacarbonyle.
1. Stratégies de synthèse
L’architecture en forme de cône choisie pour contenir le complexe hexacarbonyle étant basée sur le fragment Q3PN2-, le premier oligoamide aromatique à intégrer le complexe est
l’oligomère 2. L’hexamère amine 17 est engagé dans une réaction de couplage avec le monomère acide 14 à l’aide de l’agent de couplage PyBOP et de base dans CHCl3. La
purification par chromatographie sur gel de silice s’avérant compatible avec la présence du complexe hexacarbonyle, elle remplace la purification par GPC utilisée initialement et facilite ainsi l’accès à l’oligomère 2. Le rendement de la réaction est de 59 % pour une échelle allant jusqu’à 100 mg de produit (Schéma 7).
